(Phys.org) — In de kern fotovoltaïsch onderzoek gaat over het vinden van materialen met specifieke eigenschappen waardoor ze goed zonlicht absorberen en omzetten in elektriciteit. De beste fotovoltaïsche materialen zijn halfgeleiders met optimale band gap-waarden variërend van 1-1,6 eV, waardoor ze bepaalde delen van het zonnespectrum kunnen absorberen, afhankelijk van de waarde van de bandafstand. In een nieuwe studie, materiaalwetenschappers hebben een nieuw halfgeleidermateriaal gesynthetiseerd en gekarakteriseerd dat bestaat uit een atomair dunne (0,7 nm) laag van selenium en molybdeen met een ideale bandafstand voor zonne-oogst en opto-elektronica-toepassingen, en vertoont ook enig uniek gedrag.

De onderzoekers, een team van de Universiteit van Californië, Berkeley; MIT; en de Chinese Academie van Wetenschappen, hebben hun studie gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Hier, we hebben enkele lagen molybdeendiselenide (MoSe ₂ ) en toonden hun veelbelovende band gap-waarde van 1,5 eV voor zonne-oogst en mogelijk andere opto-elektronica-toepassingen, " co-auteur Junqiao Wu, een professor aan de Universiteit van Californië, Berkeley, vertelde Phys.org . "Volgens de Shockley-Queisser-limiet voor de theoretische maximale efficiëntie van halfgeleiders van zonnecellen, halfgeleiders met bandgaps tussen 1 en 1,6 eV hebben het grootste potentieel om een ​​efficiënte cel te vormen. Dit komt omdat een grotere bandafstand niet in staat zou zijn om fotonen met lage energie te absorberen (en dus zou de fotostroom laag zijn), en een smallere bandafstand zou te veel hoogenergetische fotonen verliezen om te verwarmen (en dus zou de fotospanning laag zijn). We zitten binnen dit bereik in de enkellaagse limiet."

Naast de aantrekkelijke band gap, MoSe ₂ is ook aantrekkelijk vanwege een andere ongebruikelijke eigenschap:het heeft bijna gedegenereerde directe en indirecte bandgaten in de limiet van een paar lagen, d.w.z., de directe en indirecte bandgaps hebben bijna dezelfde energie in de limiet van een paar lagen. Hoewel materialen met zowel directe als indirecte bandgaps fotonen kunnen absorberen waarvan de energie dichtbij de bandgap-energie ligt, materialen met directe bandhiaten laten fotonen niet zo ver doordringen, waardoor ze betere (en meestal dunnere) lichtabsorbers zijn dan materialen met indirecte bandafstanden.

MoSe ₂ , zoals de meeste andere overgangsmetaalchalcogeniden, heeft een indirecte bandgap in bulkvorm en een directe bandgap als een tweedimensionale enkele laag. Typisch, om de indirecte bandgap om te zetten in een directe bandgap, een enkele laag moet fysiek worden geïsoleerd van een stuk bulkmateriaal.

In de nieuwe studie de onderzoekers ontdekten dat ze de indirecte band gap in een paar lagen MoSe . konden veranderen ₂ tot een directe band gap door simpelweg de temperatuur te verhogen. Zoals de onderzoekers uitleggen, het verhogen van de temperatuur tot 100 ° C (212 ° F) zorgt ervoor dat de meerdere lagen van het materiaal thermisch van elkaar ontkoppelen als gevolg van thermische uitzetting van de ruimte tussen de lagen. Eigenlijk, de meerdere lagen fungeren elk als afzonderlijke lagen met directe bandhiaten. Ontkoppeling heft de degeneratie op, zodat het materiaal directer band en meer lichtgevend wordt.

Aangezien veel chalcogeniden van overgangsmetalen een indirecte bandafstand in bulkvorm hebben en direct worden als een enkele laag, het zou kunnen worden verwacht dat andere materialen hun bandafstanden ook zouden kunnen laten verwisselen door de temperatuur te veranderen. Echter, toen de wetenschappers een soortgelijk materiaal testten, molybdeendisulfide (MoS ₂ ), dat vonden ze, ook al breidde het verhogen van de temperatuur de afstand tussen de lagen uit zoals in MoSe ₂ , de bandgap bleef indirect in de vorm met weinig lagen, in tegenstelling tot in het geval van MoSe ₂ .

Dit verschil is te wijten aan MoSe ₂ met een kleiner verschil (ongeveer de helft) tussen de waarden van de indirecte bandafstand en directe bandafstand vergeleken met die van MoS ₂ . Een groter energieverschil voor MoS ₂ betekent dat de band gap verre van gedegenereerd is en dat de lagen niet thermisch ontkoppeld kunnen worden vanuit optisch oogpunt; de enige manier om de band gap te veranderen in direct zou zijn om een ​​enkele laag fysiek te isoleren van de bulk.

Tot dusver, het lijkt erop dat MoSe ₂ is het enige materiaal dat zijn bandgaptype verandert als gevolg van een verandering in temperatuur. Echter, de onderzoekers denken dat er andere tweedimensionale materialen zijn met bijna gedegenereerde indirecte en directe band gap-waarden die zich op een vergelijkbare manier kunnen gedragen.

"MoSe" ₂ is speciaal in die zin dat de indirecte en directe band gap-waarden al dicht in waarde liggen, en een kleine temperatuurstijging was voldoende om de lagen enigszins van elkaar te ontkoppelen en naar het directe bandgapregime te duwen, " zei co-auteur Sefaattin Tongay van de Universiteit van Californië, Berkeley.

De mogelijkheid om de band gap van MoSe . te controleren ₂ , samen met zijn aantrekkelijke directe bandafstand van 1,5 eV in enkellaagse vorm, maakt het materiaal aantrekkelijk voor toepassingen zoals omzetting van zonne-energie in enkelvoudige zonnecellen, LED's, opto-elektronische apparaten, en foto-elektrochemische cellen. MoSe ₂ membranen kunnen ook worden gebruikt om het oppervlak van andere materialen te functionaliseren om efficiënte zonne-oogststructuren te vormen.

"Momenteel, we ontwerpen functionele tweedimensionale halfgeleiders en onderzoeken wat deze materialen kunnen bieden, " zei Tongay. "We willen toepassingen vinden en nieuwe natuurkunde onderzoeken in kleinere afmetingen."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.